电子测量技术电压测量.ppt

第5章电压测量5.1概述5.2交流电压测量5.3噪声电压测量5.4电压测量的数字化方法,5.1概述5.1.1电压测量的重要性电压测量是非常重要的测量。因为，电压是基本电能量参数（电压、电流、功率等）之一，从测量角度主要是测量电压，因为测出电路端电压后根据电路阻抗就可计算出电流和功率；电压可以派生出其它量，如幅频特性、调幅特性、失真度，灵敏度等；自动控制系统中，反馈量和控制量大都是用电压量；非电量检测中，通常将非电量转换成电压量来测量；电气设备和电子仪器，大多以电压来指示。所以，电压测量在电测技术中占有重要地位。,5.1.2电压的特点电压在性质上可分为直流电压和交流电压（包括所有非正弦电压）两种。在应用上，有工频电压和电子电路电压。前者是强电，除电压范围大外，波形、频率等都是规则的。而后者，却具有更多的特点：1.频率范围宽。电子电路信号的频率往往是从直流到上GHz范围内变化。2.电压范围广。电子电路中的电压可在nV级到MV级，其中微伏级的电压是非常多见的。3.波形多种多样。电子电路中除正弦波外，大量的是非正弦波，同时交直并存，甚至串入噪声干扰。4.电子电路的等效阻抗一般都高，有的达兆欧级。,5.1.3对电压测量的基本要求针对电压量的特点，对电压测量提出了一系列要求，主要有以下几方面：1.应有足够宽的频率范围。以满足测量从直流到上GHz的频率要求。2.应有足够宽的电压测量范围。以满足测量从nV级到上MV级的要求。3.应有足够高的测量准确度。由于电压测量的基准是直流标准电压，同时直流测量中不存在分布参数的影响或影响极小，因而直流电压的测量准确度最高，目前可达10，甚至更高。交流电压测量因受频率、波形和分布参数等的影响，测量准确度不高，一般在1010。,4.应有足够高的输入阻抗。由于电子电路等效阻抗高，为了减小仪器接入后对电路的影响，要求仪器输入阻抗要高。目前模拟电压表的输入阻抗在M级，数字电压表的输入阻抗达G级，甚至可达数千G。5.应具有高的抗干扰能力。一般来说，测量都是在充满各种干扰的条件下进行的。对于微小电压的测量，需要的灵敏度就高，其干扰的影响就大。所以，电压表的抗干扰能力要强，对数字电压表更是如此。此外，还应要求高的测量速度和高的自动化程度，以实现智能测试和自动测试。,5.1.4电压测量方法电压的测量方法很多，要根据被测电压的不同和测量的具体要求及客观条件的限制，合理选择测量方法。归结起来，电压测量的方法有以下几种：1.电工仪表测量法电工仪表主要是指针式仪表，主要有磁电系、电动系、电磁系等，其中磁电系仪表只能测直流量。用电工仪表测电压在工程中应用十分普遍，因为电工仪表成本低,操作简便，特别是一般工程测量对准确度要求不太高更是为用电工仪表测电压大开“绿灯”。对交流高电压，通过互感器等亦可用电工仪表进行测量。,2.电子电压表测量法电子电压表是利用电子技术制成的，属于电子仪器类，是模拟式电压表，在电子电路交流电压测量中广为应用。电子电压表根据将交流转换成直流原理的不同分为三种类型：(1)公式法：按正弦交流电压有效值公式制成的有效值电压表，该类电子电压表主要是频带窄、准确度低。(2)热电转换法：利用热电偶转换制成的有效值电压表，其优点是没有波形误差，但有热惯性、频带不宽、维修不便等缺点。,(3)检波法：通过整流将交流转换成直流制成的电压表，据整流电路的不同可分为均值检波、峰值检波、有效值检波三种。同时，据整流电路的不同可分为均值检波、峰值检波、有效值检波三种。同时，据整流器的位置又分为“检波放大”、“放大检波”式电压表。可见，无论那种类型的电子电压表都具有由交流转换为直流的过程，包括“调制式”电子电压表也不例外。3.数字电压表测量法严格讲，数字电压表也属于电子电压表，但因数字部分电路在整个仪器中占有重要地位，因而人们往往对它叫着数字电压表。,数字电压表首先将模拟量通过模/数（A/D）转换为数字量，然后用计数器计数，并用十进制数字显示被测电压值。作为交流数字电压表，还必须有交流/直流（AC/DC）转换过程。4.示波器测量法前章介绍的示波器，除了直观形象地显示波形外，测电压（信号幅度）具有它独特的优点，即能测各种波形的电压幅值，特别是能测脉冲电压的各参数。利用示波器测量电压的基本方法，在波形测试技术一章已介绍，故不再重述。,5.1.5电压测量中的误差问题电压测量是一种接触性测量，除仪器仪表误差外，由于负载效应必然要产生方法误差。对于图5-1所示的直流电动势Eo的测量，被测真值为Eo，接入内阻为R的直流电压表进行测量，其测量结果为：误差为：（5-1）图5-1用电压表测电动势式（5-1）中，“一”表明测量值比实际值小；,5.2交流电压测量5.2.1交流电压的表征表征周期性交流电压的参数有峰值Up、平均值、有效值U，三者之间存在一定的关系。正是如此，构成了不同工作原理的电子电压表。1.电压的Up、U值交流电压的峰值，指一周内能达到的最大值。它以零电位（时间轴）为参考。对于含直流分量的正弦交流电压来说，正负峰值是不相等的，而正负振幅是相等的，因为振幅以振荡中心为参考的。,交流电压的平均值，指一个周期内等效的直流量，其数学定义式为：（5-2）交流电压的有效值，按式（5-3）定义为：（5-3）2.三个参数间的关系峰值、均值、有效值三者之间的关系，用波形因数和波峰因数来表示（有的书称波形系数和波峰系数。）波形因数是指电压的有效值与平均值的比值，用Kf表示，即：（5-4）,波峰因数是指电压的峰值与有效值的比值，用Kp来表示，即：（5-5）无论任何波形的电压，只要知道峰值和按式（5-2）、（5-3）求出平均值和有效值，便可按式（5-4）、（5-5）求出对应的波形因数和波峰因数值。正弦波及常见非正弦波电压的Kf、Kp值，可见表5-1所示。,5.2.2低频电压测量频率在1MHz以下的电压叫低频电压，多用平均值电压表来测量。平均值电压表由平均值检波而得名。1.均值检波原理（5-6）图5-2均值检波电路式中R是微安表的等效电阻。,检波就是整流的意思，有半波和全波整流两种，通常采用二极管全波（即桥式）整流电路，如图5-2所示。实际中D、D常用电阻代替。二极管受正向偏压才导通，均值检波时工作在乙类。在理想情况下，流过微安表表头的电流为：,式（5-6）表明，流过表头的电流与输入电压的平均值成正比，即具有平均值响应。2.均值电压表以均值检波构成的电压表，一般是“放大检波”式结构，例如DA-16型均值电压表（图5-3所示）。阻抗变换电路由场效应管构成，以获得低噪声电平和高输入阻抗。步进分压器以扩展量程。放大器由两级组成，一级是A，另一级是由T、T组成的串联负反馈放大器，其频带范围宽。检波电路由D、D、R、R组成，指示表头是磁电系微安表。R是用来调整满量程时使指针能满偏的，而R是用来调零的。因检波后的一部分量负反馈到放大器，有效地解决了温度影响和刻度的非线性。,图5-3DA-16型均值电压表的原理电路,3.均值表的刻度及误差由于驱动微安表的电流I正比于被测电压平均值，同时正弦电压有效值具有普遍意义，因此微安表的刻度按正弦有效值刻度，也就是说将被测电压的平均值扩大1.11倍来刻度。不难理解，用均值电压表测非正弦电压（如三角波、方波等电压）时，其示值不具有直接的物理意义，也就是存在波形误差。但用于测正弦电压时，则示值即为被测结果。当用均值电压表测失真的正弦波电压时，其误差不仅取决于各次谐波的幅度，还取决于各次谐波的相位。因为相同的谐波次数，其各次谐波的幅度不同而相位相同，合,成的波形各不相同；反之，在相同的各次谐波幅度下，若相位不同，合成的波形也是各不相同的。分析可知，误差随谐波初相角周期性变化，0或180时最大；而奇次谐波比偶次谐波的误差大。除了波形误差外，还有直流微安表本身的误差（等级决定）、检波二极管老化或变值以及超过频率范围所造成的误差等，但主要是波形误差。4.波形换算均值电压表测非正弦波电压时产生的波形误差，通过波形换算来消除。方法是：先将测量时从表上得到的示值除以1.11，求得被测电压的平均值，然后按被测电压的Kf,或Kp值来求出被测电压的有效值或峰值。例如，用按正弦有效值刻度的均值电压表测三角波电压，得电压表的测量示值为1V，要求被测电压的有效值，先按上述方法求被测电压的平均值为：因三角波电压的Kf=1.15，则被测电压的有效值为：,5.2.3高频电压测量上述均值电压表测高频电压时，会产生较大的频率误差。解决办法用“检波放大”式，把检波器置于探头内，将高频交流变为直流后再放大显示。能实现这种结构的，常采用“峰值电压表”。1.峰检波原理峰值表的检测电路，有“串联式”和“并联式”两种，如图5-4所示。图5-4峰值检波原理（a）（b）（c）,（a）图是串联式峰值检波，电路要求：（5-7）式中Tmax、Tmin是被测电压最大周期和最小周期，RC是电容放电时间常数，RC是电容充电时间常数。式（5-7）说明，充电要快，放电要慢。这样，电容的端压平均值近似为峰值电压，即：电路处于稳定工作状态时，只有时D才导通，电容C被充电；而Tmax很难满足而产生误差，因而下限频率一般限制在20Hz。频率太高时RCTmin难以满足，而且还受二极管高频参数和其它分布参数的影响，从而产生误差.4.波形换算峰值电压表测正弦波电压时，示值即为测量结果。当测非正弦波电压时，就必须进行波形换算。因峰值电压表按正弦有效值刻度，即将被测电压的峰值缩小了倍。那么，换算的方法是：先将测量时的示值乘倍，得到被测电压的峰值后，再按被测电压的Kf、Kp值来求其平均值和,有效值。例如，用峰值电压表测量方波电压，得电压表的测量示值为5V，则按峰值电压表测非正弦波电压的波形换算方法得被测方波电压的峰值为：(V)因方波的Kp=1，则被测方波电压有效值为：(V),5.2.4脉冲电压测量脉冲电压的特点在于，脉冲周期与脉冲宽度的比（也就是占空比）很大。若用上述峰值电压表来测量，就难以满足充电快和放电慢（即难满足式（5-7），理论误差就很大，须用脉冲电压表来测量。1.峰值电压表测脉冲电压的误差分析对于图5-6所示串联式峰值电压表测脉冲电压，其理论误差分析如下。电容C充电时的电荷：图5-6峰值电压表测脉冲电压波形,式中Ri为被测电源的电阻，R为二极等效导通电阻。电容C放电时的电荷：电路平衡时Q1=Q2，则：（5-9）从而理论误差为：（5-10）式中为占空比。由式（5-10）可知，占空比越大，理论误差就越大。2.脉冲电压表原理测量脉冲电压的电压表应在峰值表基础上改进，在电路上实现充电时R和C都小，放电时R和C都大，使尽,可能趋于Up。图5-7就是这样一个原理电路。T1是射随电路，以提高仪器输入电阻。T2、T3都是源极跟随器。D1、D2、C2、C3为检波电路，其中C2C3，C3作放电电容。电路对C2充电，因射随电路的输出电阻小，对C2充电快；C2被充电到一定程度后，又对3C充电。电路处于稳态时，C3值大，且因T3源极输出器的输入阻抗很高，则C3的放电很慢（C2的放电也慢）。可见，电路实现了充电快、放电慢，满足了测脉冲电压的要求。,3高压脉冲等的测量对于上万伏以上的高压脉冲和操作过电压等快速变化冲击电压以及瞬态过程、电磁干扰等引起的尖脉冲等，可先经过电容分压或RC分压后，再用峰值电压表或示波器等来进行测量，但需要经过换算，误差也较大。此外，还可以通过充放电法用数字电压表来测量，其原理电路如图5-8所示。图5-8充放电法测高压脉冲幅度,图中R为限流电阻，与高压硅堆D配合使用，通常为几百欧。R、D、C组成串联式峰值检波器。R取决于被测脉冲的幅值，可取几十到几百兆欧，以与微安表配合。R为几百欧至一千欧的标准电阻，以取出毫伏级脉冲电压，通过开关K送数字电压表（DVM）进行显示。,5.2.5交流高电压的测试交流高压一般都要经过降压后再进行测量。降压的方法较多，一是电阻分压，但具有相位误差和幅值误差，因而很少用；二是电容分压，不存在相位误差，仅存在幅值误差，因而常用；三是采用电压互感器来降压，这是用得很广的一种方法。此外，可用静电系电压表来测交流高压，可达几百千伏，而频率可达1MHz，其仪表的等级在1.52.5。,5.3噪声电压测量在电子电路中，噪声主要是各种元器件（晶体管、电阻等）内部带电质点运动的不规则所造成的现象。对于内部微粒不规则的热运动产生的噪声，叫热噪声。而电流通过晶体管PN结时，因电荷运动的不连续而产生的晶体管噪声，称为散粒噪声。这两种噪声在线性频率范围内其能量分布是均匀的，而对于频率能量分布均匀的噪声，叫着白噪声。噪声的存在，严重影响系统传输微弱信号的能力，因而对噪声电压的测量也是十分有意义的。,对于噪声，是用分贝来衡量。而噪声电压，则不采用分贝衡量，而是用电平的分贝来衡量，主要用在通信系统测试中（参见本书第二章关于电平的分贝测量问题）。下面我们介绍噪声电压的常用两种测量方法。,5.3.1用均值电压表测量噪声电压信号是一种随机的，波形是非周期的，变化是无规律的。白噪声电压瞬时值的分布规律符合正态分布，其概率密度函数为高斯型：（5-11）式中：u为噪声电压，是标准差。用式（5-11）可以求出白噪声电压的波形因数Kf，从而用均值电压表进行测量。表5-1中已给出白噪声的Kf=1.25，按用均值电压表测非正弦电压的波形换算方法，可得：,（5-12）式中U为测量时均值表的示值。若用表分贝刻度测量，则应在分贝指示值上加1.1dB即可（因为对U按分贝计算有）。用均值表测量时，应利用衰减器（量程开关）适当将被测信号衰减，使指针在标尺刻度的一半为宜。因为噪声随机的峰值可能在某时刻太高，超过放大器的动态范围而被削波，影响准确度。此外，就是均值表的频带应比被测噪声的频带要宽，以减小测量误差。,5.3.2用有效值电压表测量有效值电压表能测任意波形电压而不存在波形误差，因而被用来测正弦及非正弦波电压，如噪声电压的测量、非线性失真度测量中谐波电压的测量等。所以，有效值电压测量十分重要。有效值电压表主要有下述三种原理：1.均值检波的原理均值检波的原理见图5-9所示。直流Eo是用来建立工作点Q，使D工作在伏安特性的“平方律”部分，同时使D工作在甲类（一周内均导通）。当设U为正弦电压时，二极管有：,则：因正弦一周内的平均值为零，则：（5-13）式中的第一项叫起始电流（静态工作电流），在电路上是可以抵消的，则送到直流电流表的电流为：（5-14）从而实现了有效值检波（非正弦按付氏级数分解后有同样的结果）。,有效值电压表具有无波形误差的优点，但刻度是非线性的。实际中，二极管只有起始部分特性是平方律，范围小，因而实际电路采用分段逼近的方法来得到平方律特性曲线。如DY-2型有效值电压表就是如此。,图5-9均值检波原理,2.热电偶有效值电压表热电偶式有效值电压表的原理见图5-10所示。AB是加热丝，M为热电偶，它由两种不同的导体组成，其中与AB耦合端C叫热端，而D、E端为冷端。AB加热的温度正比于被测电压有效值的平方，热电偶热端C温度高于冷端D、E而产生热电势。此热电势与温度成正比，也就是说与被测电压有效值的平方成正比。于是电路中产生一个与被测电压有效值的平方成正比的电流，驱动微安表偏转。实际中，平方律关系不利于刻度和读数，误差大，须采取措施使表头刻度线性。,图5-11是利用热电偶原理制成的DA-24型有效值电压表的简化组成框图。图中M为测量热电偶，M是与M特性相同的同型号热电偶，它作为平衡热电偶，实现表头刻度线性化，并提高热稳定性（温度影响互相抵消）。图5-11DA-24型有效值电压表原理电路设衰减放大后的总传输系数为1，则M输出电势为：（5-15）而M输出热电势：,放大器增益足够大时有：E=Ex-Ef0所以，有Ex=Ef，将式（5-15）、（5-16）代入得：（5-17）式（5-17）表明输出直流电压Uo与输入电压有效值U呈线性关系，实现了线性化。由于M与M同型号，输出又是反极性串联，则环境温度对它们的影响互相抵消，提高热稳定性。热电偶式有效值电压表的缺点是，具有热惯性，稳定后才能读数，同时易受温度影响。同时，高频时因分布参数及加热丝趋肤效应的影响，易产生误差。,3.计算型有效值电压表由模拟计算电路来实现有效值电压的测量，利用计算电路直接完成下列运算：图5-12计算型有效值电压表原理框图图5-12计算型有效值电压表原理框图据此原理已做成集成电路，如AD637KRms-dc型号的集成块。,5.4电压测量的数字化方法5.4.1概述数字电压表（DVM）是随着数字技术的发展而发展起来的精确、灵活多用的电子仪器。它将连续的模拟量变换成离散的数字量，然后进行编码、显示或打印等。特别是由于微处理器的问世，数字化测量有了全新的发展，性能大为提高。尽管数字电压表从上世纪五十年代初问世来时间不长，由于电子技术的发展，至今已全部集成化或智能化。它具有这样一些优点：准确度高（8位显示误差可达0.0001%）、分辨率高（可达1V）、数字显示,（不存在视觉误差）、测量速度高（无指针的机械惯性）、输入阻抗高（可达1010）、易实现自动化等。所以，数字电压表发展迅速。数字电压表的主要内容可归结为电压测量的数字化方法。关键是如何把随时间连续变化的模拟量变换为数字量，即“模数”变换器（A/D变换器）。不同的A/D变换器，就有不同特性的数字电压表。因此，根据A/D的工作原理可分类为：1.比较型A/D转换器，是采用将输入模拟电压与标准电压进行比较的方法，属直接转换式。其中又分反馈比较式和无反馈比较式，具有闭环负反馈系统的逐次比较式是常,用的类型。2.积分型A/D转换器，是一种间接转换式。首先将模拟电压通过积分器变成时间（T）或频率（F），再把中间量转换成数字量。“V/T”式有双斜积分式、三斜积分式、脉宽调制式等，“V/F”式有脉冲反馈式和电压反馈式等。图5-13数字电压表原理框图上述两大类各有优缺点，若将二者结合起来，便构成了复合型。数字电压表的原理结构，可用图5-13来概括，可见由模拟电路、数字逻辑电路和显示电路三部分组成，但核心是A/D转换器。,5.4.2逐次比较型DVM逐次比较型DVM的原理与天平称重物很相象，它将基准电压分成若干基准码，把被测电压与可变码压进行比较，直至达到平衡，从而显示出被测电压值。图5-14逐次比较型DVM的原理框图基准源作为砝码电压Us的机内参考电压源，D/A转换,器将寄存器送来的二进制码在基准作用下产生步进砝码电压Us，其步进值为1、2、4、8，即砝码电压按8421码给出。工作原理是这样的：在程序控制下，先将最高位码的电压Us与U进行比较，若U=U-Us0，则寄存器中的“1”保留；若U0,则寄存器的“1”舍弃（变为“0”），同时此位码压Us也取消。然后，在程序控制下再将次高位码电压加上最高位码电压与U比较，同样是U0时寄存器中该位“1”保留，否则该位“1”舍去变为“0”。就这样重复下去，直到最低位码为止。比较结束后，在程控下将寄存器中的数码送去译码显示。,为了进一步说明这个原理，我们举一个一位数的逐次比较，其原理图见5-15。设被测电压U=5V，其逐次比较的步骤如下：1.在节拍脉冲作用下双稳1翻转，放出Us=8V与U比较，U=5-80，双稳2保持不变，4V保存，并将“1”送寄存器.,3.节拍脉冲送双稳3，使其翻转，放出Us=2V，再与4V相加后与U比较，有U=5-60），比较器输出打开主门，则时钟脉冲通过主门进入计数器计数。当计数满预先给定的N时（即定时积分T=NT（T为时钟周期）时），逻辑控制电路使电子开关K断开，第一次积分（正向积分）结束。积分电压：（5-18）,当t=t时：（5-19）比较阶段（tt），是在t时刻逻辑控制电路在断开K的同时接通K，此刻逻辑控制电路还使计数器清零。积分器开始反向积分，主门仍开启，计数器重新对脉冲计数，直到反向积分输出为零。其计数结果存入寄存器。积分电压：（5-20）当t=t时：即：（5-21）,由式（5-19）、（5-21）得：（5-22）需要注意的是，两次积分过程中，采样阶段是定时积分，即T不变。由式（5-18）知，当U小时积分斜率也小，积满T时的U也小。比较阶段是定值积分，即Us不变，由式（5-20）知，积分斜率不变。当U小就有U也小，从U积到零所需的时间T也就小。所以，式（5-22）中Us、T（或N）均不变，被测电压U正比于时间隔T（或N）。设时钟脉冲周期T=10s，T时间内N=6000个脉冲，Us=6000mV，则式（5-22）变为：（5-23）,可见，如果参数选择合适，被测电压U（mV）就等于T时间内填充的脉冲个数N。其次应注意，这种VT型变换结果与积分参数RC无关，因为两次积分都是同一积分器完成的，所以可得高的测量准确度。第三，由式（5-22）知，被测结果取决于两个因数，一是标准电压Us的准确度和稳定度，二是比值T/T。对于后者，因是同一时钟脉冲决定的，则对时钟源的频率准确度不要求，但对短期稳定度则要求要高。（此外，被测为正电压（+U），定值积分由K接入-Us）,第四，抗干扰能力强。双斜积分的本质是平均值转换，对幅值对称的交流串模干扰有很强的抑制能力。通常工频是最主要的串模干扰源，选定时积分时间T为工频周期的整数倍（如20ms、40ms、80ms等）时，可将对称的工频干扰全部消除。而共模干扰，因模拟电路和数字电路间易于隔离，并可采用双层屏蔽、浮地技术，易于提高抗共模干扰能力。目前，集成双积分A/D转换器的应用日趋普遍，它的原理同前。此类集成片，比逐次比较型集成简单，成本也低，故而广为应用。常见的DF-6、DS-14等型号的数字电压表均采用V/T型双积分转换。,5.4.4V/F积分型DVMV/F转换过程也是不断进行积分过程，因而V/F式DVM也具有抑制串模干扰的能力。它先将被测模拟电压转换成振荡频率f，然后再以数字频率测量电路测频率值来表示被测电压的大小。V/F式A/D转换的突出优点是可以输出与被测模拟信号成正比的频率信号，便于远距离传送，所以不仅在数字电压表中，而且在遥测、遥控及其它工业自动控制技术中都被广泛应用。V/F式A/D转换通常有定时间复原型、定电荷复原型和电压反馈型等三类。目前市场上都有相应的单片集成电路。最常见的是定电荷复原型V/F转换电路，下面予以简介.,图5-18为定电荷平衡式V/F转换的原理图。它由积分器、比较器和复位电路三部分组成，而复位电路由单稳态电路、恒流源IR和模拟开关K组成。电路的工作过程是：,当积分器的输出电压Uint下降到EK时，比较器A的输出Uo负跳变，使单稳态定时电路输出一个宽度为to的正脉冲，使K导通to时间，将恒流源IR与积分器电流相加接通。因设计时保证I=（U/R）0时，电子开关K接通+Ur；当Uo|U|+|Ur|，以保证节拍方波对调宽周期的控制，并使系统稳定和比较器不灵敏区的影响大大减小。图5-20示出了脉宽调制的波形，（a）图为积分器输入信号波形，（b）图是合成输入波形，（c）图是积分器输出信号波形，（d）图为比较器输出波形。,根据积分电容充放电电量相等的原则，因节拍方波对称而充电与放电已相等，则：（5-26）即：（5-27）当R=R时，有：（5-28）式中节拍周期T=T+T，是常数。可见，被测电压U与正、负基准电压接入时间之差（T-T）成正比，U不同，T分割成的T、T也不同，其差值也就不同，从而实现了V/T转换。,式中节拍周期T=T+T，是常数。可见，被测电压U与